SCIENZE DELLA TERRA PER IL CITTADINO
Sistema geocentrico e sistema eliocentrico
Gli antichi accomunavano sotto lo stesso
nome di pianeti la Luna, Mercurio, Venere,
Marte, Giove, Saturno (non conoscevano i
pianeti più distanti, non essendo visibili a
occhio nudo) e pure il Sole, perché «si
muovono» sulla Sfera celeste, al contrario
delle stelle che «restano fisse».
Dal punto di vista dei loro movimenti apparenti, un osservatore sulla Terra percepisce numerose differenze. Per esempio, il Sole e la Luna si muovono sull’Eclittica con
velocità non uniforme rispetto alle stelle, e la
Luna lo fa più velocemente e ancor meno
regolarmente del Sole. Mercurio, Venere,
Marte, Giove e Saturno si spostano tra le
stelle e i periodi per compiere un ciclo completo sono diversi per ciascuno di essi. L’interrogativo che gli astronomi dell’antichità si
ponevano era quindi: «qual è lo schema che
spiega perché un osservatore sulla Terra osserva i moti dei pianeti nel modo in cui appaiono?». Per rispondere a questa domanda
bisognava formulare delle ipotesi e costruire
un modello del mondo che spiegasse, per
quanto possibile, tutte le apparenze.
Il moto di rotazione delle stelle poteva
essere spiegato semplicemente dal fatto che
tutti i corpi siano trasportati nel moto attorno alla Terra da una sfera cristallina, dotata di un moto uniforme e imperniata nei
poli celesti. Spiegare il moto dei pianeti era
invece più complesso.
Nel II secolo a.C. Ipparco di Nicea propose un sistema del mondo che venne completato ed esposto più tardi, nel II secolo
d.C., dall’astronomo alessandrino Claudio
Tolomeo. Questo sistema si fondava sul
principio della circolarità e dell’uniformità
dei moti celesti, già espresso da Aristotele.
In altre parole bisognava ricondurre le apparenze (in questo caso, le irregolarità dei
moti planetari) alla «perfezione» di un moto che non poteva che essere circolare e
uniforme, senza inizio né fine.
Nel sistema tolemaico la Terra si trova
al centro del mondo (sistema geocentrico)
e attorno ad essa ruota la Sfera celeste con
la Luna, il Sole e le stelle «fisse». Per spiegare il moto di Mercurio, Venere, Marte,
Giove e Saturno si suppose che essi si muovessero di moto uniforme su circonferenze, dette epicicli, i cui centri si muovevano,
sempre di moto uniforme, su altre circonferenze di diametro maggiore, chiamate deferenti. La rappresentazione geometrica che
ne derivava era coerente con il principio
preso a fondamento. Quando – come avveniva di frequente – nuove osservazioni
introducevano nuovi fatti da spiegare, la
soluzione era quella di aggiungere nuovi
epicicli imperniati sugli epicicli precedenti.
Anche per la Luna e il Sole si supponeva
che si muovessero su circonferenze attorno alla Terra, ma senza epicicli; l’unico dato
da spiegare era la non uniformità del moto
sulla loro traiettoria apparente sulla Sfera
celeste. Anche questo fatto veniva spiegato
con un’opportuna e complessa rappresentazione geometrica.
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PA R T E A • La Terra nello spazio
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Il modello del Sistema solare secondo Tolomeo. Il centro della circonferenza su cui ruota Venere è sempre sulla congiungente TerraSole, per cui il pianeta, visto dalla Terra, non si discosta mai più di
tanto dal Sole. Il centro della circonferenza di Marte può invece essere a qualunque distanza dal Sole.
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Il sistema degli epicicli e dei deferenti. In (a) vediamo un deferente ed un epiciclo tipici. In (b) è illustrato il moto intrecciato che essi generano sul piano dell’eclittica. (c) mostra una parte del moto
del pianeta P (da 1 a 4), come è visto dalla Terra, che si trova al
centro del deferente.
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Il sistema geocentrico era una grandiosa
costruzione geometrica che rappresentava
in modo completo e particolareggiato tutti
gli aspetti del cielo e permetteva di prevedere il corso dei corpi celesti chiamati pianeti. Ciò gli permise di rimanere come spiegazione più accreditata per molti secoli.
Era però estremamente complicato: in
qualche caso ci volevano fino a 33 epicicli
su epicicli per descrivere le più piccole irregolarità osservate nel moto dei «pianeti».
Inoltre era totalmente privo di senso fisico,
cioè non spiegava in alcun modo quali forze naturali muovessero la complessa costruzione dei deferenti e degli epicicli.
In questo contesto apparve nel 1543 il
De Revolutionibus Orbium Coelestium di
Nicolò Copernico (1473-1543), nel quale si
avanzava l’ipotesi di un sistema con il Sole
in posizione centrale (sistema eliocentrico).
Per la verità questa ipotesi era stata già formulata in passato da Aristarco di Samo, ma
i tempi non erano ancora maturi per accoglierla.
Copernico pose, dunque, il Sole al centro dell’Universo, con Mercurio, Venere,
Terra, Marte, Giove e Saturno – in ordine
di distanza crescente – posti su orbite circolari attorno ad esso. Inoltre, la Terra era
dotata di un movimento di rotazione su se
stessa in senso antiorario, in modo da spiegare l’apparente rotazione della Sfera celeste nel verso orario (per un osservatore posto nell’emisfero settentrionale del pianeta). La Luna, infine, era dotata di un moto
di rivoluzione attorno alla Terra, che permetteva di spiegare le fasi lunari.
Anche se distinguere tra i due sistemi,
quello geocentrico e quello eliocentrico,
poteva essere fatto soltano compiendo ac-
curate osservazioni delle posizioni dei pianeti, del Sole e della Luna, la concezione
copernicana mostrò subito il grande vantaggio di una maggiore semplicità rispetto a
quella tolemaica. E anche da un punto di
vista quantitativo la nuova ipotesi permetteva di rendere conto di tutte le apparenze
ancora meglio del sistema tolemaico.
Copernico fu il precursore di queste
idee, anche se non fu l’artefice della loro
affermazione. La prima e importante verifica della validità dell’ipotesi copernicana
venne da Keplero (1571-1630) che poté utilizzare osservazioni di Marte molto precise
fatte dal suo maestro Ticho Brahe (15461601). Dopo vari tentativi, fatti nel corso
di dieci anni di lavoro, Keplero pervenne in
modo empirico alla formulazione delle tre
leggi che portano il suo nome.
Con la prima legge cade il principio della
circolarità dei moti planetari e le orbite descritte dai pianeti acquistano identità fisica
rispetto alle circonferenze tolemaiche, enti
puramente geometrici. La seconda legge segna la caduta del principio della uniformità
dei moti planetari. Dalla terza legge di Keplero diventa possibile calcolare la distanza
di un pianeta dal Sole, sconosciuta nell’astronomia tolemaica, prendendo come unità
di misura l’Unità astronomica, determinato
che sia il periodo di rivoluzione in anni. La
terza legge di Keplero disegna, per così dire,
la «mappa» del Sistema solare.
Questi risultati ampliano enormemente
i confini dell’Universo ipotizzati nell’antichità. Inoltre, le leggi di Keplero non trovano collocazione nelle idee correnti per
l’epoca sulla fisica. Per spiegarle occorre
«reinventare» una fisica, modificare radicalmente le idee correnti.
Galileo Galilei (1564-1642), copernicano convinto, stabilì i principi di due
nuove scienze, la cinematica e la dinamica;
enunciando tra l’altro il principio di inerzia e la relatività del moto e preparando il
terreno su cui si sarebbe poi mosso il suo
grande successore, Isaac Newton. Con
l’uso del cannocchiale da poco inventato,
il 7 gennaio 1610 Galileo poté constatare
con i suoi occhi che Giove era accompagnato da quattro satelliti che gli giravano
intorno come la Luna alla Terra e i pianeti al Sole. Osservò inoltre per la prima volta che Venere, come la Luna, mostra le fasi, dimostrando inequivocabilmente che
Venere si trova tra la Terra e il Sole. La
teoria copernicana aveva così una clamorosa conferma: si dimostrava con l’osservazione che la Terra non era l’unico centro di ogni moto celeste.
Da queste fonti potrete raccogliere informazioni
sulle scoperte da lui fatte.
In che cosa consiste il metodo scientifico da lui
fondato?
Come ha cercato Galileo di divulgare le straordinarie conoscenza cui era giunto?
Chi aveva indagato quegli stessi campi prima di
lui?
Chi ha potuto proseguire sulle basi da lui gettate
nella ricerca scientifica?
Preparate una breve tesina che riassuma le principali scoperte di Galileo e che risponda anche alle
domande precedenti.
Ritratto di Copernico.
RICERCA
Le scoperte di Galileo
Le scoperte di Galileo Galilei hanno riguardato
non soltanto il Sistema solare ma molte discipline
diverse.
In biblioteca potrete trovare notizie sulle ricerche
fatte da questo grande scienziato, non soltanto
nei libri di astronomia, ma anche in quelli di fisica e di filosofia.
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U N I T À 3 • Il Sistema solare
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